- •Министерство образования рф
- •Строение атомов
- •Периодическая система элементов д. И. Менделеева
- •Химическая связь и строение молекул. Конденсированное состояние вещества
- •Стандартные теплоты (энтальпии) образования некоторых веществ
- •Химическое сродство4
- •Стандартные изобарные потенциалы образования некоторых веществ
- •Стандартные абсолютные энтропии некоторых веществ
- •Химическая кинетика и равновесие
- •Способы выражения концентрации раствора
- •Свойства растворов
- •Ионные реакции обмена5
- •Гидролиз солей
- •Контрольное задание 2 Окислительно-восстановительные реакции
- •Электродные потенциалы и электродвижущие силы*6
- •Стандартные электродные потенциалы е° некоторых металлов (ряд напряжений)
- •Электролиз
- •Коррозия металлов7
- •Комплексные соединения
- •Жесткость воды и методы ее устранения
- •Органические соединения. Полимеры
- •Приложение
- •Наименование наиболее важных кислот и их солей
- •Константы диссоциации и степени диссоциации некоторых слабых электролитов
Электродные потенциалы и электродвижущие силы*6
Если металлическую пластинку опустить в воду, то расположенные на ее поверхности катионы металла будут гидратироваться полярными молекулами воды и переходить, в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно, Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:
в растворе на металле
где п – число электронов, принимающих участие в процессе. На границе металл – жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала – электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от целого факторов (природы металла, концентрации, температуры др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях, которые называют стандартными электродными потенциалами (Е°).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией или активностью, равной 1 г-ион/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю (Е° = 0; G° = 0).
Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый «ряд напряжений».
Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение Е°, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньше окислительные способности проявляют его ионы. И наоборот.
Таблица 4
Стандартные электродные потенциалы е° некоторых металлов (ряд напряжений)
Электрод |
Е°, В |
Электрод |
Е°, В |
Li+/L |
–3,045 |
Cd2+/Cd |
–0,403 |
Rb+/Rb |
–2,925 |
Co2+/Co |
–0,277 |
K+/K |
–2,924 |
Ni2+/Ni |
–0,25 |
Cs+/Cs |
–2,923 |
Sn2+/Sn |
–0,136 |
Ва2+/Ва |
–2,90 |
Pb2+/Pb |
–0,126 |
Са2+/Са |
–2,87 |
Fe3+/Fe |
–0,037 |
Na+/Na |
–2,714 |
2H+/H2 |
–0,000 |
Mg2+/Mg |
–2,37 |
Sb3+/Sb |
+0,20 |
Al3+/А1 |
–1,70 |
Bi3+/Bi |
+0,215 |
Ti2+/Ti |
–1,603 |
Cu2+/Cu |
+0,34 |
Zr4+/Zr |
-1,58 |
Cu+/Cu |
+0,52 |
Mn2+/Mn V2+/V Cr3+/Cr Zn2+/Zn Cr3+/Cr Fe2+/Fe |
-1,18 –1,18 –0,913 –0,763 –0,74 –0,44 |
Hg22+/2Hg Ag+/Ag Hg2+/Hg Pt2+/Pt Au3+/Au Au+/Au |
+0,79 +0,80 +0,85 + 1,19 + 1,50 + 1,70 |
Электродные потенциалы измеряют в приборах, которые получили название гальванических элементов. Окислительно-восстановительная реакция, которая лежит в основе работы гальванического элемента, протекает в направлении, в котором э.д.с. элемента имеет положительное значение. В этом случае G0 < 0, так как G0 = –nFE°.
Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем у кобальта (см. табл. 4). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 г-ион/л, а кобальта – 0,1 г-ион/л?
Решение. Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
где Е° – стандартный электродный потенциал; n – число электронов, принимающих участие в процессе; С – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе в г-ион/л. Е° для никеля и кобальта соответственно равны —0,25 и—0,277В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:
Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.
Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор era соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен - 2,41В. Вычислите концентрацию ионов магния в г-ион/л.
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):
Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 г-ион/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его э.д.с.
Решение. Схема данного гальванического элемента:
()Mg|Mg2+||Zn2+|Zn(+)
Вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черточки - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (—2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Цинк потенциал которого -0,763 В, - катод, т. е. электрод на котором протекает восстановительный процесс:
(2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов.
Для определения электродвижущей силы - э.д.с. гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 г-ион/л, то э.д.с. элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:
241. В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили: в первый цинковую пластинку, а во второй серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронные и молекулярное уравнения соответствующей реакции.
242. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) CuSO4, б) MgSO4, в) Pb(NO3)2. Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
243. При какой концентрации ионов Zn2+ (в г-ион/л)потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала. Ответ: 0,30 г-ион/л.
244. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) AgNO3, б) ZnSO4, в) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
245. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал —1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn2+ в г-ион/л. Ответ: 1,89l0-2 г-ион/л.
246. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 оставил 95% от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag+ в г-ион/л? Ответ: 0,20 г-ион/л.
247. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы Ni(NO3)2 и Co(NO3)2. В каком соотношении должна быть концентрация ионов этих металлов чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми Ответ: .
248. Составьте схемы двух гальванических элементов в одном из которых медь была бы катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на анода
249. При какой концентрации ионов Сu2+ в г-ион/л значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного элемента? Ответ: 1,89-10-12 г-ион/л.
250. Какой гальванический элемент называется концетрационным. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов опущенных первый в 0,01 н., а второй – в 0,1 н. растворы AgNО3. Ответ: 0,058 В.
251. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод - в 0,01 М растворе сульфата никеля. Ответ: 0,029 В.
252. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластид опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Рb2+]=|= [Mg2+] = 0,01 г-ион/л. Изменится ли э.д.с. этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 В.
253. Составьте схемы двух гальванических элементов в одном из которых никель является катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.
254. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.
255. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg2+] = [Cda+] = 1 г-ион/л. Изменится ли величина э.д.с., если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 г-ион/л? Ответ: 1,967 В.
256. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (в г-ион/л), чтобы э.д.с. элемента стала равной нулю, если [Zn2+] = 0,001 г-ион/л? Ответ: 7,310-15 г-ион/л.
257. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению
Ni + Pb (NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb
Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите э.д.с. этого элемента, если [Ni2+] = 0,01 г-ион/л, [Рb2+] = 0,0001 г-ион/л. Ответ: 0,066 В.
258. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?
259. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий - никелевого аккумулятора?
260. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?